ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗДВИЖНОГО СОПЛОВОГО НАСАДКА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ РД-191

ANALYSIS OF THE EFFECTIVENESS OF NOZZLE EXTENSION FOR ROCKET ENGINE РД-191

Marat Seydagaliev

5th year student of the department “Design and testing of aircraft” branch “Voskhod” of MAI,

Russia, Baikonur

Nikolay Ilyushenko

5th year student of the department “Design and testing of aircraft” branch “Voskhod” of MAI,

Russia, Baikonur

Olga Shestopalova

candidate of Science, assistant professor of branch “Voskhod”

of the Moscow aviation institute (national research university),

Russia, Baikonur

АННОТАЦИЯ

Современные ракетные двигатели практически достигли предела энергетических возможностей топлива, поэтому увеличение эффективности ракетного двигателя даже на небольшие значения представляет собой непростую задачу. В работе предлагается решение данной проблемы путем применения раздвижного соплового насадка. Для проведения расчетов в качестве примера был взят наиболее эффективный и перспективный для отечественной космонавтики однокамерный жидкостный ракетный двигатель РД-191.

ABSTRACT

Modern rocket engines almost reached the limit of energy fuel capabilities so increasing the efficiency of rocket engine even for small values is a big problem. There is a solution which suggests to use of nozzle extension. As an example for the calculations was taken RD-191 – the most effective and perspective liquid propellant rocket engine by now.

Ключевые слова: ракета-носитель (РН), двигательная установка (ДУ), сопловой насадок, жидкостный ракетный двигатель (ЖРД), реактивная тяга, удельный импульс.

Keywords: launch vehicle, nozzle extension, liquid propellant rocket engine, jet thrust, specific impulse.

На сегодняшний день наиболее перспективным ракета-носителем отечественной космонавтики является семейство ракета-носителей Ангара, в основе которых лежит универсальный ракетный модуль – 1 (УРМ-1). Двигательной установкой УРМ-1 служит жидкостный ракетный двигатель РД-191. В данной работе приводится оценка эффективности применения соплового насадка для двигателя РД-191. Сопловой насадок – выдвигаемая часть сопла ракетного двигателя, установка в рабочее положение которого обеспечивает увеличение выходной площади сопла, как следствие увеличивает эффективность в разряженных слоях атмосферы или в вакууме.

При расчете сделаны следующие допущения:

• двигатель работает в нормальном режиме (с постоянным массовым расходом);
• ракета-носитель летит по прямой траектории, с постоянной скоростью;
• не учитываются потери из-за трения и рассеивания скорости на выходе сопла.

Необходимые для расчета технические характеристики ЖРД РД-191 представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Характеристики ЖРД РД-191 [2]

Для расчетов предлагается использовать формулу тяги реактивного двигателя при допущении одномерности течения газа по соплу [1, с. 16]:

                                                                              (1)

где: µ – секундный массовый расход; – давление, скорость и площадь сечения на срезе сопла соответственно; – давление окружающей среды, (зависит от высоты подъёма h).

Скорость потока на срезе сопла определяется известным из газовой динамики соотношением [3, c. 22]:

                                                                     (2)

где:  – газовая постоянная продуктов сгорания;  – температура давление в камере сгорания соответственно;  – показатель адиабаты.

Показатель адиабаты зависит от используемых компонентов топлива, для пары керосин-кислород; =1,11 [2, c. 64].

Из выражений (1) и (2) получаем окончательное выражение для расчета тяги реактивного двигателя:

                                                  (3)

Очевидно, что тяга двигателя меняется по мере подъёма на высоту. Причина этого заключается в том, что давление окружающей среды является непрерывно изменяющейся величиной.

Уравнение (3) описывает тягу двигателя с постоянной степенью геометрического расширения. Рассмотрим случай, при котором в каждый момент времени реализуется расчетный режим работы двигателя (). Тогда уравнение (3) примет вид:

                                                                (4)

Для расчета средней тяги двигателя использующего раздвижной насадок необходимо определится с геометрическими характеристиками соплового насадка. Расчеты показали, что оптимальная радиус соплового насадка, при которой средняя тяга будет наибольшей на протяжении всего участка работы двигателя, превышает радиус УРМ-1 (1,45 м), исходя из этого принимаем радиус раздвижного насадка равный 1,20 м, это позволит использовать сопловой насадок в пакетной конструктивно-компоновочной схеме (Ангара-А3, Ангара-А5, Ангара-А5В). По радиусу насадка определяем давление на срезе сопла и вычисляем тягу двигателя согласно уравнению (1).

Ниже приводятся результаты расчетов (рис. 1) тяги двигателя согласно уравнениям (3), (4) для трех случаев:

• двигателя с нерегулируемым соплом;
• двигателя с идеально регулируемым по высоте соплом;
• двигателя с одноступенчатым регулируемым соплом.

Рисунок 1. Изменение тяги двигателя в зависимости от высоты полета: 1 – нерегулируемое сопло, 2 – одноступенчатое регулируемое сопло; 3 – идеально регулируемое по высоте сопло

Результаты расчета показали, что применение соплового насадка для РН семейства Ангара, выполненных в пакетной схеме, позволяет увеличить среднюю тягу каждого УРМ-1 на 9,28 тс, с учетом потерь из-за трения в сопле. При использовании раздвижного соплового насадка на ракета-носителях легкого класса выполненных в тандемной схеме (Ангара 1.1 и 1.2), прирост тяги составит 17,5 тс в виду отсутствия ограничения радиуса соплового насадка. При внесении конструктивных изменений в сопло РД-191 (с целью увеличения давления на срезе сопла), представляется возможным увеличить тягу на 24,4 тс для пакетной и 35,7 тс для тандемной схемы.

Регулирование высотности сопла путем применения соплового насадка не является принципиально новым инженерным решением, но практической реализации данное решение так и не нашло из-за сложности обеспечения охлаждения насадка. На сегодняшний день, эта проблема является устранимой в связи с появлением принципиально новых материалов, не доступных ранее, имеющих высокую температуру плавания, прочность, стойкость к изнашиванию и т. д. Именно поэтому представленная работа является актуальной, и практически реализуемой.

Список литературы:

1. Алемасов В.Е. Теория ракетных двигателей: учеб. для вузов. – М.: Машиностроение, 1980.

2. Гречух Л.И. Проектирование жидкостного ракетного двигателя: методические указания к курсовому и дипломному проектированию. – М.: Издательство ОмГТУ, 2011. – 69 с.

3. Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели: учеб. для вузов. –М.: МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2006. – 269 с.

4. Двигательная установка. РД-191 – [Электронный ресурс]. – Режим доступа. – URL: http://ecoruspace.me/%D0%A0%D0%94-191.html (Дата обращения: 8.04.16).